Jurnal Biofisika 9 (2): 21-27
SEL SURYA HIBRID
BULK HETEROJUNCTION
NANOPARTIKEL ZnO/Cu-FEOFITIN
Sugianto, Akhiruddin*, Irmansyah
Bagian Biofisika, Departemen Fisika, Institut Pertanian Bogor, Bogor, Indonesia16680 *e-mail: [email protected]
ABSTRACT
The hybdrid solar cell in bulk-heterojunction form has been fabricated. It was combined among ZnO and chlorophyll derivatives (Cu-Pheophytin) and insertion of CuSCN layer as hole conductor. The hybrid film of ZnO/Cu-pheophytin has a wide absorption spectrum compare with the ZnO film alone. The characterization result of the hybrid film of ZnO/Cu-pheophytin solar cell has fill factor about 55% which indicated an ideal curve of I-V characteristic. Moreover, the conversion efficiency of the cell was 0.3%.
Keywords: Hybrid solar cell, hybrid film, ZnO, Cu-pheophytin.
ABSTRAK
Telah dipabrikasi sel surya hibrid dalam bentuk bulk heterojunction, yang merupakan kombinasi antara ZnO dan klorofil turunan (Cu-feofitin) dan CuSCN digunakan sebagai konduktor hole. Kombinasi ZnO/Cu-feofitin dalam bentuk film hibrid menyebabkan pelebaran daerah serapan ZnO sehingga lebih banyak spektrum yang terserap. Hasil karakterisasi sel surya hibrid ZnO/Cu-feofitin menghasilkan nilai fill factor sebesar 55% yang memperlihatkan bentuk kurva I-V yang ideal. Sedangkan nilai efisiensi konversi yang dihasilkan adalah 0,3 %.
Kata kunci: Sel surya hibrid, film hibrid, ZnO, Cu-feofitin.
PENDAHULUAN
Sel surya hibrid merupakan perpaduan antara semikonduktor anorganik dan organik. Material organik dalam sel surya jenis ini berfungsi sebagai penyerap cahaya (fotoaktif) dan bagian anorganiknya adalah nanokristal semikonduktor sebagai akseptor elektron, biasanya material senyawa golongan II-IV, umumnya adalah TiO2 dan ZnO dengan
masing-masing energi bandgap adalah 3,2 eV1 dan 3,2–3,4 eV.2
Secara umum, lapisan fotoaktif pada sel surya hibrid dapat memiliki tiga bentuk struktur yaitu bilayer, bulk heterojuction dan interdigit dengan
memadukan bahan yang bersifat donor dan akseptor yang didepositkan pada subtrat. Berbeda dengan bulk semikonduktor anorganik, penyerapan
bebas tetapi terikat oleh pasangan elektron-hole yang selanjutnya disebut
sebagai eksiton.3
Secara khusus, prinsip kerja sel surya hibrid diawali dengan penyerapan foton oleh bahan absorban sehingga dibangkitkan eksiton dari pita valensi ke pita konduksi. Eksiton berdifusi ke interface donor/akseptor,
selanjutnya terjadi pemisahan eksiton menjadi elektron bebas dan hole
dibawah pengaruh medan listrik internal yang ditransferkan oleh material donor atau akseptor yang dominan dan akhirnya dikumpulkan pada masing-masing elektroda.
Dalam beberapa dekade terakhir, klorofil dan turunannya telah dikembangkan untuk berbagai aplikasi bahan semikonduktor, diantaranya adalah optoelektronik,4 fotosensitiser, fototransistor5 dan terapi fotodinamik untuk kanker.6 Secara umum klorofil merupakan pigmen yang mudah
terdegradasi akibat berkurangnya atau degradasi logam Mg di dalam inti cincin porfirin. Hal ini disebabkan oleh beberapa faktor yaitu panas7 dan kosentrasi asam,8 sehingga beberapa penelitian telah melakukan modifikasi terhadap logam inti pada klorofil (Mg) dengan unsur logam lainnya yaitu seng (Zn2+) dan tembaga (Cu2+),9 agar pigmen klorofil lebih stabil.
Dalam penelitian ini dimanfaatkan klorofil termodifikasi ion logam Zn2+ dan Cu2+ sebagai material fotoaktif (penyerap foton) sekaligus donor elektron pada sistem sel surya hibrid nanopartikel ZnO.
METODOLOGI
Sintesis dan karakterisasi nanopartikel ZnO
Penumbuhan nanopartikel ZnO dilakukan dengan cara melarutkan 8,75 gram Zinc acetat dyhidrat (CH3COO)2Zn.2H2O) ke dalam etanol
(C2H5OH) dan ethylene glycol (HOCH2CH2OH) dengan metode hidrotermal.
Prekursor yang diperoleh dari proses hidrotermal dicuci dengan akuades dan etanol secara bergantian sebanyak tiga kali lalu dikeringkan di atas
hotplate pada suhu 100oC sampai mengering, kemudian dikalsinasi selama
satu jam pada suhu 300oC. Selanjutnya dilakukan karakterisasi X-ray diffraction (XRD) untuk menentukan struktur kristal dan Scannning Electron Microscope (SEM) untuk mengamati morfologinya. Pengukuran sifat optik
film ZnO dilakukan dengan menggunakan spektrometer UV-Vis (Ocean Optics).
Pabrikasi film hibrid ZnO/Cu-Feofitin
Mula-mula dilakukan degradsi klorofil dengan melepaskan ion inti Mg+ menggunakan HCl. Selanjutnya dilakukan modifikasi klorofil tersebut dengan mensubstitusi ion Cu+ sebagai pengganti Mg+. Pabrikasi film hibrid dilakukan
dengan melarutkan bubuk ZnO ke dalam etanol kemudian di aduk dengan kecepatan 300 rpm sambil diberikan tetesan ethylene glycol, selanjutnya
Pabrikasi sel surya hibrid
Pembuatan sel surya hibrid bulk heterojunction dilakukan dengan cara
mencampurkan bubuk nanopartikel ZnO dan bubuk klorofil turunan kemudian digerus dengan menggunakan mortar dan ditambahkan etanol secukupnya sampai halus sempurna. Selanjutnya ditambahkan larutan asam asetat sampai tercampur sempurna. Kemudian adonan diteteskan di atas kaca ITO yang telah dibuat pola terlebih dahulu dengan ukuran pola 1x1 cm2. Pelapisan dilakukan dengan menerapkan metode Doctor blade.
Sel yang telah terbentuk dibiarkan pada suhu ruang sampai mengering, kemudian sel ditetesi dengan larutan CuSCN secukupnya sampai merata. Kemudian pada bagian atasnya ditutupi dengan kaca ITO lainnya dengan bagian konduktif menghadap ke dalam. Selanjutnya dilakukan pengukuran untuk menentukan performa sel surya.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Struktur kristal dan morfologi nanopartikel ZnO
Gambar 1 adalah difraktogram hasil karakterisasi X-ray diffraction
(XRD) yang memperlihatkan bentuk pola difraksi polikristalin ZnO dengan struktur heksagonal wurtzite. Puncak-puncak difraksi ditunjukkan pada sudut
2 berturut-turut pada 31,66o(100), 34,4o(002), 36,28o(101), 47,54o(102),
56,56o(110), 62,78o(103), 66,34o(200), 67,84o(112), 69,02o(201). Pola
difraksi ini menunjukkan kesesuaian dengan data JCPDS no. 1314-13-2.11 Pada pola difraksi tampak bahwa bidang (101) memiliki intensitas yang lebih tinggi dari lainnya. Hal ini menunjukkan bahwa bidang (101) lebih dominan pada struktur ZnO. Ukuran kristal dihitung berdasarkan pelebaran pola difraksi bidang (101), dengan menggunakan persamaan (1)
σ=kλ/(βcos ) (1) σ adalah ukuran kristal rata-rata, k adalah konstanta (0,9), λ adalah panjang gelombang sinar-X sumber yaitu 1,54059 Å, adalah lebar setengah puncak maksimum (FWHM) setiap puncak, dan adalah sudut difraksi.
2 Theta (derajat)
Gambar 2 adalah citra SEM sampel ZnO yang memperlihatkan bahwa morfologi permukaan nanopartikel ZnO cenderung homogen. Akan tetapi pada bagian tertentu juga memperlihatkan adanya penggumpalan (agolomerasi) yang terjadi saat dilakukan proses anil akibat kecenderungan sifat material nanoskopik.
Gambar 2. Foto SEM permukaan film ZnO.
Sifat optik film hibrid ZnO/Cu-feofitin
Spektrum ZnO/Cu-feofitin menghasilkan serapan pada rentang 332-632 nm. Hasil ini memperlihatkan bahwa kombinasi ZnO/Cu-feofitin memiliki rentang serapan yang lebih lebar dari kombinasi lainnya, sebagaimana yang diperlihatkan pada Gambar 3.Kombinasi antara semikonduktor ZnO dengan klorofil turunan yaitu Cu-feofitin, telah menyebabkan pelebaran daerah serapan spektrum ZnO. Pelebaran serapan ini menunjukkan bahwa jumlah spektrum yang terserap lebih banyak setelah kombinasi. Pelebaran serapan ini ditunjukkan pada rentang panjang gelombang yang dihasilkan.
. Panjang gelombang (nm)
400 500 600 700 800 900
abs
orb
ans
i (
a.u
)
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4
ZnO Cu-feofitin
Karakteristik sel surya hibrid ZnO/Cu-feofitin
Kurva I-V sel surya diperlihatkan pada Gambar 4. Hasil karakterisasi sel surya hibrid dengan struktur ITO-CuSCN-ZnO/Cu-feofitinl-ITO didapatkan nilai-nilai parameter kisi dalam sel surya yaitu, Isc, Voc, fill factor
(FF), dan efisiensi ( ) dapat dilihat pada Tabel 1.
Berdasarkan karakteristik I-V didapatkan nilai fill factor sel surya
sebesar 55% dengan nilai efisiensi 0,3%. Besarnya nilai fill factor ini
kemungkian besar disebabkan oleh tingkat stabilitas dari dye akibat adanya
subtitusi ion Cu2+ ke dalam inti klorofil.9,12-14 Dye yang kurang stabil akan
lebih mudah mengalami perubahan struktur molekul, yang akan berpengaruh pada mekanisme transfer elektronnya, yang menyebabkan menurunnya transfer muatan dari dye ke semikonduktor. Nilai efisiensi
sangat dipengaruhi oleh jumlah elektron yang ditransferkan hingga sampai pada elektrodanya, yang kemudian terbaca sebagai arus maksimum (Imax)
dan tegangan maksimum (Vmax). Sedangkan besarnya nilai tegangan Voc
dan arus Isc kemungkinan besar dipengaruhi oleh jumlah kosentrasi pada
dye. Dengan kosentrasi yang lebih tinggi, dye memiliki jumlah muatan yang
lebih banyak. Hal ini mengakibatkan banyaknya jumlah muatan yang tereksitasi ketika mendapat energi foton, sehingga mampu menghasilkan nilai tegangan yang tinggi.
Tabel 1. Nilai parameter dalam sel surya.
Sampel
SIMPULAN
Kombinasi film hibrid ZnO/Cu-feofitin telah menyebabkan pelebaran pada serapan dari ZnO. Rendahnya nilai efisiensi yang dihasilkan dari klorofil yang tersubtitusi ion logam, kemungkinan disebabkan oleh penurunan kosentrasi sehingga mengurangi jumlah muatan yang ditransfer dari dye ke semikonduktor.
DAFTAR PUSTAKA
1. Reddy K.M, Manorama S.S, Reddy A.R. Bandgap studies on anatase titanium dioxide nanoparticles, Materials Chemistry and Physics 2002;78: 239–245
2. Song, P. K., Watanabe, M., Kon, M., Mitsui, A. & Shigesato, Y. Electrical and optical properties of gallium-doped zinc oxide films deposited by dc magnetron sputtering.Thin Sol. Films 2002; 411: 82– Emitting Diodes Using Photosynthetic Pigments Extracted from Spinach. Jpn. J. Appl. Phys. 2011; 50.
5. Chen S-Y, Lu Y-Y, Shih F-Y, Ho P-H, Chen Y-F, Chen CW, Chen Y-T, Wang H-W. 2013. Biologically inspired graphene-chlorophyll phototransistors with high gain. [Manuscript tex]
6. Park YJ, Lee WY, Hahn B-S, Han MJ, Yang WL, Kim BS. Chlorophyll Derivatives a New Photosensitizer for Photodynamic Theraphy of Cancer in Mice. Yonsei Med. J. 1989; 30 (3).
7. Erge H.S, Karadeniz F, Koca, Soyer Y. Effect Of Heat Treatment On Chlorophyll Degradation And Color Loss In Green Peas. GIDA.
2008;33(5):225-233
8. Koca N, Karadeniz F., Burdurlu H.S. Effect of pH on chlorophyll degradation and colour loss in blanched green peas. Food Tech 2003;
073.
9. Kupper H, Kupper F, Spiller M. Environmental relevance of heavy metal-substituted chlorophylls using the example of water plants. J. Exp.Bot 1996; 295(47):259-266.
10. Ibrahem Mohammed A, YuWei H, Tsai M-H, Ho K-C, Shyue J-J, Chu CW.., Solution-processed zinc oxide nanoparticles as interlayer materials for inverted organic solar cells, Solar E. Mat. 2013; 108: 156–
163
11. Wu Y.L,. Tok. A.I.Y, Boey F.Y.C, Zeng X.T. X., Zhang X.H. Surface modification of ZnO nanocrystals. App. Surface Sci. 2007;253 :5473–
5479.
13. Nurhayati dan Veinardi Suendo. 2011. Isolation of Chlorophyll a from Spinach Leaves and Modification of center Ion with Zn2+: Study on its
Optical Stability. JMS. 2009;16 (2).
14. Zvezdanovic J.B, Markovic D.Z, Milenkovic S.M. Zicn (II) and copper (II) complexes with pheophytin and mesoporphyrin and their stability to UV-B irradiation: Vis spectroscopy studies. J. Serb. Chem, 2012.; 2
